JP4861833B2 - 光学センサ - Google Patents

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Description

本発明は燃焼室における燃焼プロセスをモニタするための光学センサと、当該センサの製造方法とに関するものである。
例えば火花点火エンジンあるいはディーゼルエンジンのような内燃機関において、燃焼をモニタするために光学センサが使用されている。一方では温度は輝度から推定しうるので、燃焼室において時間の経過に亘り輝度を記録することは、コンピュータモデルのための限界条件としての有用で貴重なデータを提供する。他方では、輝度を検出することによって燃焼室内での煤煙濃度(soot concentration)を推測することができる。排気ガス排出法令に関して益々厳しくなる規制のため、エンジンでの燃焼の間の煤煙形成を低減させようとして多大な努力が払われている。これらの事情に対して光学センサは貴重なデータを提供する。
このように、欧州特許第0593413号(EP 0593413)において記載されているように、例えば内燃機関のシリンダヘッドガスケットにおいて複数の光学センサが配置されている。このため、そのようなセンサの直径は約2ミリメートル以上であってはならない。このような用途におけるセンサの角度有効範囲(angular coverage)は10度から40度である。
燃焼室の広がり空間(spatial extension)を網羅することができるように、このような適用分野においては燃焼室に複数のセンサが設けられている。この場合、それに相応してより小さい角度有効範囲が提供される。
他の適用分野においては、燃焼室において放射された光線を可及的に多く集めるように意図された単一のセンサを設けている。そのようなセンサでは大きな角度有効範囲が要求される。この目的に対して使用されるセンサは約110度の角度有効範囲を有している。そのようなセンサの直径は10ミリメートル以上である。従って、そのようなセンサは点火プラグあるいはヒータプラグに組み込むことはできない。
これらのセンサは例えば、この目的のために設けられた開口においてシリンダヘッドに直接装着される。その結果設けられた開口に装着したり、あるいは開口を密封する間に問題が発生する。
別の可能性としては、火花点火エンジンの点火プラグあるいはディーゼルエンジンのヒータプラグ中へ光学センサを装着させることである。このことは例えば、センサに設けられたねじによって達成される。これは組み立ておよび分解を迅速にするという利点を提供し、エンジンに対する余分な機械的な作業を必要としない。
従って、本発明の目的は少なくとも130度の角度有効範囲を有し、断面が10ミリメートル未満、好ましくは6.5ミリメートル以下で、特に2.5から3.5ミリメートルである光学センサを提案することである。
一般に、光学センサは一方の面に衝突する光線を通過させ、その光線を反対側の面から放射させるレンズからつくられている。その後、光線は導波管(waveguide)に突当り、該導波管が光線をモニタ装置まで導く。このモニタ装置において、光線信号がデータに処理されて、当該情報を更に評価できるようにする形式に編集される。
レンズならびに導波管の一端は通常シース(sheath)によって囲繞され、かつ一緒に保持されている。極めて小さい径や焦点深度(depths)の浅いレンズの場合、主として心合わせ(centering)が困難を伴う。
従って、本発明の目的は光学センサのレンズを最高の精度で心合わせできるようにする方法を提案することである。
この目的は特許請求の範囲の独立項の序文に記載の方法によって達成される。
添付図面を参照して本発明を以下説明する。
図1は光学センサの先端を示す。本実施例において、2個のレンズ1,2から構成されるレンズ系が示されている。前記レンズの一方1は平凹レンズであって、平坦面が燃焼室に面している。第二のレンズ2は両面凹レンズであって、第一のレンズ1のすぐ後に配置されている。双方のレンズ共シース4内に配置されている。導波管5もその一端でシース4中へ延在している。導波管5はまた高精度で位置合わせされている。導波管5によって、集光された光線が案内され、最終的に適当なモニタ装置に到来し、該モニタ装置が前記光線を処理して信号を発生させ、それを他の目的に対して評価する。このタイプのセンサは、例えばセンサに設けられたねじによって点火プラグあるいはヒータプラグに組み付けることができる。
前記レンズ系1,2は110度から140度の角度有効範囲を有するビーム通路を提供する。130度から135度のレンズ系はこの目的に対して極めて良好に作用することが判明した。
使用されるレンズ1,2は0から400℃において10.5・10−6−1以下、特に0.15・10−6−1から6.7・10−6−1の間の熱膨張係数を有する材料からつくられる。少なくともレンズ1の表面領域ははんだ付けが可能であるか、あるいは例えば金属メッキをはんだ付け可能に備える必要がある。双方のレンズ1,2は10ミクロン(μm)まで、少なくとも0.2から2ミクロンの範囲の波長の光線を透過するようにされている。例えば、サファイアあるいは石英ガラスが適当であると判明している。導波管5はレンズ2との所定の距離において真正面で終わっており、シース4の領域に包含されている。センサの後方部分において、導波管5は適当な集塊(mass)6によってセンサ中へ密封されている。
このレンズ系1,2に関して興味をそそるのは小さいレンズ1,2をつくることができることであり、従って小型のセンサをつくることができることである。そのようなセンサは点火プラグあるいはヒータプラグに組み立てするようにしたものである。従って、直径が8ミリメートルより小さく、好ましくは5ミリメートルより小さく、特に2.4ミリメートルより小さいレンズ系1,2をつくることが好ましい。このように、シース4の外径は10ミリメートルより小さく、好ましくは6.5ミリメートルより小さく、特に2.5から3.5ミリメートルまでとなる。
光線を通過させるべきレンズ系1,2の長さは一般的に最大でレンズ系1,2の直径と等しく、好ましくはレンズ系1,2の直径の50から75%である。
レンズ系1,2はシース4のくぼみ内で心合わせし、かつ高精度で組み立て、かつ固定する必要がある。導波管は前記レンズから精確に所定の距離において組み立てる必要がある。この精度はレンズ1,2の直径が小さければ小さいほどより高い精度が必要である。中心位置からの一寸したずれがあっても信号の質を低下させ、あるいは使用不可とすることもある。本明細書で説明した本発明の方法はこのような必要な精確な心合わせを可能とする。
レンズ1,2がその中へ導入されるシース4のくぼみに関して、前記レンズ1,2は5から10ミクロンまでの緩みがある。前記シースは0から400℃の範囲において10.5・10−6−1以下、特に7・10−6−1以下の熱膨張係数を有する材料からつくられる。更に、シース4の材料ははんだ付け可能であり、600℃までの継続的な温度および950℃までの瞬間温度に耐えることができる必要がある。シース4は約50K/10msの破砕抵抗性(spalling resistance)を有する必要がある。シース4の材料の熱伝導性は少なくとも20W/mk、好ましくは少なくとも50W/mkであるべきである。シース4の材料は±10ミクロン、好ましくは±5ミクロンの精度で機械的に処理可能でなければならない。
前記シース4のくぼみ内で前記レンズ1,2を心合わせする方法は、第一のレンズ1とシース4との間の空隙3を、また任意的に、緩さ3によって発生したレンズ2とシース4との間の空隙を、はんだペーストで詰めることである。はんだペーストは770から1100℃の上限溶解点を有し、良好な可溶性を有するべきである。
導波管5とレンズ系1,2との軸線方向性もまた10ミクロン以下の、好ましくは5ミクロン以下の小さな偏差で極めて正確である必要がある。このことはシースを深絞りすることによって達成される。
本発明による光センサの実施例を示す。

Claims (9)

  1. 燃焼室における燃焼プロセスをモニタする光学センサであって、少なくとも前記燃焼室と面しているレンズ系(1,2)と、導波管(5)と、前記レンズ系と前記導波管の一端とを囲繞しているシース(4)とから構成される光学センサにおいて、前記レンズ系(1,2)が平凹レンズ(1)と両面凹レンズ(2)のみからなり、前記平凹レンズ(1)の平坦面が前記燃焼室に対して露出されており、
    前記平凹レンズ(1)がその表面領域において金属メッキで囲まれていて、且つはんだ付け材料によって前記シース(4)に固定されていることを特徴とする光学センサ。
  2. 前記レンズ系(1,2)の角度有効範囲が少なくとも130度までであることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  3. 前記レンズ(1,2)がサファイアあるいは石英ガラスからなることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  4. 前記レンズ系(1,2)の最大直径が8ミリメートルより小さいことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  5. 光線を透過させるべき前記レンズ系(1,2)の長さが最大で該レンズ系(1,2)の直径と等しいことを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  6. 前記シース(4)の外径が最大で10ミリメートルであることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  7. 前記センサは点火プラグあるいはヒータプラグに組み込まれていることができることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  8. 前記レンズ(1,2)の外側半径と前記シース(4)の内側半径との間の緩さ(3)が10ミクロン以下であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。
  9. 少なくとも前記燃焼室と面するレンズ(1)が空隙(3)の領域においてはんだ付け材料によって前記シース(4)に対して固定されることを特徴とする請求項3に記載のセンサ。
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